论中国舞台机械电气控制系统的安全
【摘 要】根据舞台机械的特点，分析其可能产生的安全状况，并结合安全标准的贯彻落实情况，在机械防护、电气控制 设备防护、电磁兼容防护、人类工效学、软件编程等多方面提出增强系统安全性的具体可行措施，对舞台机械 从业者具有参考价值。
【关键词】舞台机械；电气控制；危险源；系统安全；安全标准；防范措施
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2017.03.006
Discussing the Safety of China Stage Machinery Electrical Control System
DU An-kun， DONG Qiang， KANG Yong， YANG Yong-kui
（General Equipment Engineering Design Research Institute， Beijing 100028， China）
【Abstract】According to the characteristics of the stage machinery， analysis of the possible security conditions， and connecting with the implementation of safety standards， in mechanical protection， electric control equipment protection， EMC protection， human ergonomics， software programming and other aspects to put forward some feasible measures to enhance the system security. This can provide some reference for practitioners.
【Key Words】stage machinery； electrical control； source of danger； system security； standard of security； preventive measures
1 引言
舞台机械是典型的文化设施，目前它主要整合了起重运输机械、设备制造、电气、液压、计算机、网络及自动化控制等技术，是门类庞杂、服务于艺术的系统。文化部颁发的行业标准（WH/T）系列舞台机械部分的标准贯彻落实工作已逾十年，核心任务之一是保证舞台机械的安全。
舞台机械的安全性主要包括机电设备安全和人身安全两方面的内容，这两个方面相互关联、相互影响，有时是不可分割的。演艺行业电气涉及活动场所和生产场地的工业机电设备，须服务于以演员为中心的排练和演出活动。所以，舞台机械设备的电气控制系统必须建立在绝对安全的水平之上。
2 舞台机械的特点
（1）吊挂牵引的高势能
台上吊挂设备及其所被承载的布景、灯具等景物重量可观、尺寸大、种类多、层次密度大，提升过程是重物在高空中的悬吊运动或斜拉运动。
（2）可运动的结合面多
有舞台机械的剧场，单体设备边界数量有限。但是单体设备和固定支撑、相邻的单体设备之间产生出相互咬合的边界，则呈现出众多有相对运动的结合面。
（3）设备运行是多种运动的组合
推、拉、转、提组成的多维运动，形体庞大的金属结构件的整体运动，大量结构复杂、形状不一、运动各异、速度多变的可动部件，形成舞台机械的危险点多且分散的特点，给安全防护增加难度。
（4）以人为中心的作业范围
金属结构横跨演出场地，設备、设施把人群包围其中，构成人在机械之中的活动场所，使危险的影响范围加大。舞台机械是服务于演职人员活动的可组态物流作业。
（5）多人配合的群体作业
舞台机械作业程序的编制体现导演的舞美意图，配合排练或演出进程或演员动作，通过空间运行，将设备在指定时间变换到指定位置。每一次作业循环，都必须是多人合作完成，无论哪个环节出问题，都可能发生意外。
（6）使用时环境在变化
在主舞台区，台上、台下及四周不仅设备多、人员集中，还受灯光、音响、水特效条件和场地限制的影响，特别是排练阶段，还涉及舞台造型、上下场演职人员活动和周围环境等调整的多因素影响。
（7）民用化的工业设备
相比于一般的其他机械，舞台机械是工业设备在公共场所的民用化，以演职人员即人活动为核心，安全性高于功能性要求的表演载体。因此，舞台机械控制系统在规定的时间和空间对电能、机械能的变换和传递要有必要的限制。
3 舞台机械系统可能产生的危险源
必须站在舞台机械操作人员、舞美监督、演职人员（和秀场类开放式舞台的观众）的角度来看剧场舞台机械系统设备的安全问题，与控制系统有关的危险源有很多。
3.1 机械危险
由于舞台机械设备及其附属设施的构件、零件、道具或失手滑落而来的固体和流体物质等的机械能（动能和势能）作用，可能产生伤害的各种物理因素，以及与机械设备有关的滑绊、倾倒、剪切和跌落危险等。
3.2 电气危险
电气危险的主要形式是电击、燃烧和爆炸。其危险源主要有以下几种。
（1）电气装备中的失效或故障，及其可能引发的触电、电短路或者电气原因造成的火灾，及其短路或过载引起的熔化粒子喷射、热辐射和化学效应。
（2）控制电路（或其零件或设备）中的失灵或故障，及其引发的机器的错误行为。
（3）能源供应受到干扰或者中断以及总电路的故障，及其引发的机器的错误行为。
（4）与滑动或者滚动接触相关的连接电路带来的损耗，及其引发的安全功能失效。
（5）由电器外部或内部原因造成的干扰（例如电磁干扰、静电干扰或者无线电干扰）。
（6）存储的能量（电能或者机械能）。
（7）会影响或者伤害人员健康的电气噪声影响。
（8）硬件以及软件错误。
（9）同一或邻近空域的不同系统之间的无线设备的载波频段存在冲突。
3.3 温度危险
（1）高温对人体的影响。
（2）高温烧伤、烫伤，高温生理反应。
（3）高温引起的燃烧或爆炸。
温度危险产生的条件有：环境温度、热源辐射或接触高温物（材料、火焰或爆炸物）等。
3.4 噪声危险
噪声产生的原因主要有机械噪声、电磁噪声和空气动力噪声。噪声会带来很多危害。
（1）对听觉的影响。根据噪声的强弱和作用时间不同，可造成耳鸣、听力下降、永久性听力损失，甚至暴振性耳聋等。
（2）对生理、心理的影响。通常90 dB（A）以上的噪声对神经系统、心血管系统等都有明显的影响；低频噪声，会使人产生厌烦、精神压抑等不良心理反应。
（3）干扰语言通信和听觉信号而引发其他危险。
（4）直接干扰调度指挥。
3.5 振动危险
振动对人体可造成生理和心理的影响，造成损伤和病变。最严重的振动（或长时间不太严重的振动）可能产生生理严重失调。
3.6 辐射危险
可以把产生辐射危险的各种辐射源（离子化或非离子化）归纳为以下几个方面。
（1）电波辐射：低频辐射、无线电射频辐射和微波辐射。
（2）光波辐射：主要有红外线辐射、可见光辐射和紫外线辐射。
（3）射线辐射：X射线和Y射线辐射。
（4）粒子辐射：主要有α、β粒子射线辐射，电子束辐射，离子束辐射和中子辐射等。
（5）激光。
辐射的危险是杀伤人体细胞和机体内部的组织，轻者会引起各种病变，重者会导致死亡。
3.7 材料和物质产生的危险
（1）接触或吸入有害物（如有毒、腐蚀性或刺激性的液、气、雾、烟）所导致的危险。
（2）粉尘、可燃气体等引起火灾与爆炸的危险。
（3）生物（鼠咬）和微生物（如霉菌、病毒或细菌）危险。
使用机械加工过程的所有材料和物质都应考虑在内。例如构成机械设备、设施自身（包括装饰装修）的各种物料。
3.8 未履行人类工效学原则而产生的危险
由于机械设计或环境条件不符合安全人类工效学的要求，存在与人的生理或心理特征、能力不协调之处，可能会产生以下危险。
（1）对生理的影响。负荷（体力负荷、听力负荷、视力负荷、其他负荷等）超过人的生理范围，长期静态或动态型操作姿势、劳动强度过大或过分用力所导致的危险。
（2）对心理的影响。对机械进行操作、监视或维护而造成精神负担过重或准备不足、紧张等而产生的危险。
（3）对人操作的影响。表现为操作偏差或失误而导致的危险等。
3.9 演职人员对舞台环境陌生而产生的危险
（1）对设备运行速度、加速度、位移的节拍配合不当而产生的危险。
（2）设备运行与场次更迭时，演员上下场配合不当而导致的危险等。
（3）演员对设备运行心理准备不足而导致的危险等。
（4）由灯光的明暗突变使演员对运行设备配合不当而导致的危险等。
（5）演职人员新来一个剧场不熟悉环境。
3.10 演藝剧场中的杂耍设备
如飞行机构、威亚牵引、马术等杂耍设备，与剧场里的常规舞台设备混杂编场。秀场临时设备布置，与原有控制要求的干涉。
4 中国相关安全标准
安全问题是一个全员全过程的大问题，而这一过程是指从项目立项直至舞台机械生存周期的结束。显然，安全标准的贯彻，既体现在技术层面，也体现在管理层面。
安全是指人或物在一定环境中不发生危险与不受到损害的状态，而安全性是表明人或物在一个环境中对危险的损伤所能承受的最大能力。
安全性最终目标是避免事故的发生，为达到此目的，中国对产品有“3C”市场准入强制性认证制度。对工业装置的自动化系统中设置了安全保护控制系统，并对其设置与整个生产装置的安全要求等级进行了规定。美国仪表学会（ISA）称安全系统为安全仪表系统（Safety Instrument System， SIS），对应ISA-S84.01标准。国际电工委员会（IEC）称安全要求等级为“安全完整性等级”（Safety Integrity Levels， SIL），对应IEC61508标准。
4.1 中国现有安全标准
中国规范对风险评价采取的是实现安全的迭代过程，即根据机械使用的工艺过程、使用和产出的物质、操作条件等信息，与有关机械的设计、使用、伤害事故的知识和经验汇集到一起，对机器寿命周期内的各种风险进行评价的过程。电气控制系统风险评价过程依据标准GB/T 16856《机械安全 风险评价》系列标准、GB/T 22696《电气设备的安全 风险评估和风险降低》系列标准。
但是，目前国内尚无系统的安全评价标准，对应于IEC61511在国内的协调标准为GB/T 21109《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》系列标准，采用IEC的SIL概念，称之为安全度。有量化标准，如二级安全度等级（SIL 2）定义为每年故障危险的平均概率为0.01～0.001。
4.2 中国舞台安全标准
在布景表现用的活动场地和制造场所中的机械设备上使用电气和电子装备及系统，必须在设计和安装机械以及安全机件时，遵守有关机械安全的要求，依次确定风险等级、安全度等级，从而提高系统可靠性。对特殊的装备元件应确定特殊要求。
通过配电、电气控制以及选择器材来保障，在出现错误时，能够防止出现危险的运行状态。与电气控制产生的危险密切相关的风险，必须作为总要求的一部分，用于布景表现的活动场地和生产场所的机械设备在风险评估的框架内进行评估。
就所贯彻的标准规范而言，目前在中国舞台机械工程中电气控制主要依据非标准起重运输机械设备、建筑电气有关规范，而不是工业规范。2007年至2010年，在制定中国舞台机械电气控制安全标准时，WH/T 28《舞台机械 台上设备安全》、WH/T 36《舞台机械 台下设备安全要求》中的标准引用重点参考了德国舞台规范DIN 56950（工业标准），并基本对应。电气控制则主要依据GB 5226《机械安全 机械电气设备》系列标准和GB/T 16855《机械安全 控制系统有关部件》。2010年后，中国不仅相继修订完善了引用标准，还推出了新的系列安全标准，如GB/T 18831-2010《机械安全 带防护装置的联锁装置设计和选择原则》、GB 28526-2012《机械电气安全 安全相关电气、电子和可编程电子控制系统的功能安全》、GB 16655-2008《机械安全 集成制造系统 基本要求》等。而且，中国的标准编制基本上是按行业分类，唯有自动化或控制方面的标准是按专业划分的，而自动化或控制作为专业面对的是各行各业的控制任务。笔者认为现阶段对舞台机械控制系统的评价可以参照和借助GB/T 21109标准进行。
可见舞台机械电气控制安全标准是在规定的时间、空间对电能、机械能的变换和传递的限制，是对以演职人员活动为核心的物流安全的全面要求，是工业电气在公共场所民用化的安全保障，具有控制系统高于功能性要求的最重要性质。
5 实现电气控制系统安全的措施
为了预防错误，对于所有安全相关的、带有风险评估的危险识别职能，应根据机械安全的风险评价原则来确定舞台机械控制系统必要的安全度级别（SIL），再根据相关安全规范确定技术要求、选择合适的安全措施来实现系统装备。安全措施是一个措施综合体，包括在设计阶段必须考虑到的措施和操作者必须采取的措施。
舞台机械电气控制安全措施包括机械防护、电气设备、电磁兼容、人类工效学、软件编程、标志、安装施工、用户管理等方面，最终落实在紧急停机与安全联锁上。
5.1 与机械防护相关的措施
机械安全防护，当舞台机械直接安全技术措施不能或不完全能實现安全时，必须在生产设备总体设计阶段设计出一种或多种专门用来保证人员安全的装置，也称为间接安全技术措施。
（1）运动行程：作业运行限位，停车限位。
（2）运动速度：速度或失速、超速监控。
（3）定位装置：如插销锁定装置、回转定位制动装置。
（4）负荷限制装置：对可能因超负荷发生部件损坏而造成伤害的，应设置负荷限制装置。
（5）防护装置：防护门、栏杆。
（6）关联运动时空关系：组合运行、群控状态下的相关运动条件。
（7）每台机械都应设置紧急停机装置，使已有的或即将发生的危险得以避开。
（8）演职人员进出场安全监控条件。
5.2 与电气设备防护相关的措施
是电气控制自身的防护，机械设备也要防止以下影响。
（1）接地故障/残余电流保护。
（2）相序及缺相保护。
（3）短路引起的过流保护。
（4）过载电流保护。
（5）不正常温度保护。
（6）供电中断或电压降落随后复原的保护。
（7）电动机失速、超速保护。
（8）闪电或开关浪涌引起的过电压。
5.3 与电磁兼容（EMC）相关的措施
电磁兼容，是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰。电磁兼容包括两方面：一是设备或系统对外部的辐射骚扰、传导骚扰；二是对外部设备或系统的辐射抗扰度、传导抗扰度。剧场调光、扬声器功放、电机调速装置等可控硅设备工作中产生大量的高次谐波，如果在系统设计和安装时，没有充分考虑电磁兼容的问题，小则造成设备不能稳定运行，大则造成设备的损坏。目前，EMC已经成为系统故障的主要原因，其防护措施有以下几种。
（1）接地与屏蔽保护。
（2）电磁解耦与滤波。
（3）消除静电。
（4）软启动。
（5）电机和电磁执行部件电缆应独立于其他电缆走线。
（6）确保驱动控制柜中的接触器有灭弧功能。
（7）设计控制柜体时要注意EMC的区域原则，把不同的设备规划在不同的区域中。
5.4 与人类工效学相关的措施
（1）与身体尺寸有关的设计应考虑到在工作过程中身体尺寸的因素。
（2）设计应使身体动作的幅度、强度、速度和节拍相互协调。
（3）有关指示器和操动器设计应以适合于人的感知特性的方式来加以选择、设计和配置。
（4）工作环境设计应保证工作环境中物理的、化学的和生物学的因素对人无害。
（5）工作过程设计应当保证工作者的健康和安全。
5.5 与软件程序相关的措施
（1）一般安装和环境需考虑的问题。
（2）用户控制目标对象和被测量。
（3）要控制的过程。
（4）硬件配置和调整。
（5）系统总响应时间。
（6）故障诊断：故障鉴别、报警记录、报警处理。
（7）联锁：物理要求、系统类型、手动优先、存取控制认可和口令。
（8）停机方式：系统断电、系统后备、正常停机、应急停机。
（9）启动方式：再启动、冷启动、热启动或暖启动。
（10）远程控制、数据通信、数据网络要求。
（11）外部设备：信号要求、数据传送存取。
（12）操作员接口：电键锁、软件锁需要的包括对操作者介入的存取控制和安全方案等。
（13）编程和调试工具。
5.6 安全电路与安全电器
在各種工业控制系统中，常常需要设置双手操作装置、安全门装置、安全幕检测装置、急停按钮装置和限幅保护装置来保证人身和设备的安全。尽管这些措施能对人身和设备的安全提供良好的保障，但是在设备方面缺乏安全性电器的使用，同样会使这些措施形同虚设，并且可能出现各种不良后果。工业自动化中的安全性电器显得尤为重要。为了保护操作者和机器设备的安全，世界各国都颁布了相应的安全标准。
随着安全标准的推出以及对安全系统重视度的不断提高，安全系统的认证也变得越来越重要，安全联锁系统的设计思想、系统结构都须严格遵守相应国际标准并取得权威机构的认证。在设置安全系统时，既要满足工业过程的可靠要求，又要保证安全度。
5.6.1 紧急断电和紧急停机
按照GB 5226.1-2002第9.2.5.3条停机功能有以下三类。
（1）0类：立即关闭机械设备驱动部分的供电（不受控的停止）。采用此标准，装置必须是机电电缆连接，功能不可依靠电子逻辑或网络传输。
（2）1类：控制的停止，为了达到停止的目的，仍保留机械设备驱动装置的供电，直到停止后才切断，即有序停机后切断供电。
（3）2类：控制的停止，一直保持机械设备驱动装置的电源。
0类、1类和2类停止功能的使用，必须根据风险评估以及机械设备的功能需求进行设置。
0类、1类的停止功能必须独立于运行方式，其中0类停止具有优先权。
紧急停机（紧急情况下停止工作），依据GB 5226.1-2002第9.2.5.4.2条，机械设备必须设置紧急停机功能，用于停止驱动装置。紧急状态下的停止必须达到0类停机或者作为1类停机。在设备正常运行的状态下，对于具有碰撞、剪切等安全防护的独立运行设备，急停时可采取减速延时停机。
5.6.2 紧急停机装置
每台机器必须装有一个或数个紧急停机装置，以避免现有的或即将发生的危险。但是以下情况例外。
（1）由于紧急停机装置不能缩短停机时间或无法采取特别措施来解决危险，因而不能减少危险的机器。
（2）手提式机器和手动控制式机器。
紧急停机控制装置必须具有可明确识别、清晰可见且迅速可及的控制器；在不会造成额外危险的情况下，尽快停止有危险的过程；必要时，触发或允许触发某些安全保护机构。
紧急停机控制装置在发出停止命令后，一旦终止有效操作，则该命令必须通过接通紧急停机装置予以维持，直到这一接通明确失效；在不触发停机命令的情况下，该装置必须是不能接通的；必须只能通过一个适当的操作切断该装置。切断紧急停机装置不得使机械设备重新启动，而只是允许其重新启动。
5.6.3 安全继电器
安全继电器具有的安全特性：电路冗余，并且带有内置的自检测；即使元件出现故障，安全功能依然能够保持；在每一个启动和停止循环，自动检测安全继电器的正确打开和闭合；可检测供电故障、元器件故障、线圈故障、接地故障、输入回路中的短路、开路。
5.6.4 可编程安全系统
可编程安全系统具有的安全特性是：输入可以被配置为报警输入；单极输出可以配置为测试脉冲输出；双极输出每一路具有短路、过载、超温保护；系统被分为一个故障保护部分和一个标准部分，仅故障保护部分可以处理安全相关功能，并且，故障保护部分和标准部分之间的通信互不产生影响；CPU中的故障保护部分被设计为多通道的和相异的结构，以确保高的安全等级。所有的输入和输出，通过每一通道被单独地处理，只是与其他通道比较结果来产生可用的输出信号。单、双极输入有测试脉冲。
5.6.5 紧急停车与安全联锁
这是用于监视急停按钮、机械防护、电气防护等装置（或独立单元）的操作，如果过程超出安全操作范围，可以使过程进入安全状态，确保装置具有一定安全度的系统。一个完整的安全联锁系统应包括现场检测、控制及执行单元等部分。整个安全系统的可用性及可靠性应综合考虑现场检测单元、控制单元、执行单元、信号连接用接线端子等。
使用已认证的电路技术和部件，紧急停车及安全联锁系统应独立于过程控制系统，以降低控制功能和安全功能同时失效的概率。设计应遵循以下原则。
（1）紧急停车及安全联锁系统原则上独立设置。
（2）检测元及执行机构原则上独立设置。
（3）中间环节最少。
（4）采用冗佘或容错结构。
（5）系统应是故障安全型。
5.6.6 对电气控制系统自身的基本要求
包括硬件和软件，当代自动化控制对电气控制系统性能的基本要求可以归结为两个要素和五个性质：两个基本要素是能量（传递、变换）和信息交换；五个性质是决定系统快速性的时间响应特性、决定系统稳定性的收敛性、决定系统精度特性的稳态误差、鲁棒性（解决复杂的工业过程控制大系统乃至复杂巨系统的系统模型的不确定性的鲁棒控制）、决定系统评价性的可观测性。舞台机械控制系统的模型及其单台设备的速度、位置、转矩模型的创建或采用，模型中各参数的整定，标志着设备功能的完备性和技术的先进性。
这些基本要求构成了保证系统可靠性的基础。
5.6.7 可靠性设计
可靠性构成了系统安全性的基础。
可靠性，是指机器或其零部件在规定的使用条件下和规定期限内执行规定的功能而不出现故障的能力。提高机械的可靠性可以降低危险故障率，减少需要查找故障和检修的次数，不因为失效使机器产生危险的误动作，从而可以减少操作者面临危险的概率，这一原则适用于机器的零部件及机械各组成部分。
6 结语
舞台机械是重物在空间的吊运、起重平台的多机构组合运动、庞大金属结构的整机移动，以及大范围、多环节的群体运作，这些特点使舞台机械作业的安全问题尤其突出。舞台机械的电气安全问题仍然处于特别重要的位置，我国对这些文化设施的建设及使用过程中有关的规范规程有待发展完善，应该给予重视。
舞台机械电气控制系统的安全性，应建立在贯彻舞台机械电气控制系统相关规范标准进程的基础上，以规范指导舞台机械电气控制系统设计，提高舞台机械电气控制系统安全水平，从而全面推进我国舞台机械行业的制造水平。
（编辑 王 芳）